基于虛擬無線電的RFID讀寫器實(shí)現(xiàn)方案

摘要：隨著通用計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，虛擬無線電技術(shù)得以發(fā)展。根據(jù)虛擬無線電處理基帶信號(hào)具有更好的靈活性、通用性和開放性的優(yōu)點(diǎn)以及ISO／IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)中超高頻RFID讀寫器的特桂，在此提出了一種基于虛擬無線電的超高頻RFID讀寫器的實(shí)現(xiàn)方案。該方案介紹了常見RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點(diǎn)闡述了基于虛擬無線電的RFID讀寫器的整體結(jié)構(gòu)和工作流程，并對(duì)接收端算法做了研究與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：虛擬無線電；超高頻；射頻識(shí)別；讀寫器；電子標(biāo)簽

0 引言
    近年來，隨著多核CPU的出現(xiàn)與應(yīng)用，個(gè)人計(jì)算機(jī)在計(jì)算能力和性能上大幅度提高，在某種程度上可以與傳統(tǒng)的專用數(shù)字信號(hào)處理器媲美，因此在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)通用的軟件無線電平臺(tái)已成為一種可能。研究基于多核PC的軟件無線電平臺(tái)，能夠在在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議，而且易于開發(fā)和軟件升級(jí)，無論從開發(fā)者角度講，還是從用戶角度講，都極大地方便了各自的工作和體驗(yàn)，具有重要的研究價(jià)值和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。虛擬無線電是一種真正意義上的軟件無線電。它采用高性能的模／數(shù)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，對(duì)寬帶射頻信號(hào)直接進(jìn)行變換，所有無線電功能用運(yùn)行于工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。虛擬無線電技術(shù)主要有如下特點(diǎn)：易于實(shí)驗(yàn)；開發(fā)快捷；與其他應(yīng)用結(jié)合；改進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)。無線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸的射頻識(shí)別技術(shù)，其基本原理是通過射頻信號(hào)與空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別?，F(xiàn)有的RFID讀寫器一般采用ASIC，DSP，F(xiàn)PGA或ARM對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，此方法處理基帶信號(hào)方法不靈活，且需要設(shè)計(jì)人員掌握每種嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法，因此技術(shù)門檻比較高，開發(fā)周期較長。隨著通用計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，使得基于通用處理器實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)成為可能，根據(jù)虛擬無線電的上述特點(diǎn)，本文提出了基于虛擬無線電實(shí)現(xiàn)RFID讀寫器的方案。

1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    常見的RFID系統(tǒng)包括4部分：標(biāo)簽、天線、讀寫器和控制器(即PC主機(jī))組成。如圖1所示。

     RFID系統(tǒng)的工作原理為讀寫器通過天線發(fā)出含有信息的一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識(shí)別區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽周圍形成電磁場(chǎng)，其天線通過耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量漱活內(nèi)部微芯片電路。此時(shí)標(biāo)簽根據(jù)讀寫器發(fā)出的信息決定是否響應(yīng)，即是否反向散射數(shù)據(jù)；需要響應(yīng)時(shí)，標(biāo)簽通過天線將存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的信息轉(zhuǎn)換成電磁波，然后發(fā)送給讀寫器；讀寫器接收到標(biāo)簽反射的信號(hào)時(shí)，將信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，識(shí)別出標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口傳送給控制器；控制器根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和控制。
    按照讀寫器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻(135 kHz以下)，高頻(13．56 MHz)，超高頻(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等幾大類。其中，超高頻RFID系統(tǒng)一般采用電磁反向散射原理來實(shí)現(xiàn)讀寫器和電子標(biāo)簽之間的通信過程。
    本文介紹的基于虛擬無線電實(shí)現(xiàn)的RFID讀寫器符合ISO／IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。ISO／IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)是信息技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于超高頻RFID技術(shù)的空中通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用開放的體系結(jié)構(gòu)，充分考慮了標(biāo)簽低處理能力、低功耗和低成本要求，在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼及調(diào)制方式、防沖突算法、標(biāo)簽訪問控制和隱私保護(hù)等技術(shù)方面采取了一系列改進(jìn)；其中，讀寫器到標(biāo)簽的前向鏈路的調(diào)制方式為ASK，采用PIE編碼，標(biāo)簽到讀寫器的反向鏈路的調(diào)制方式為ASK或PSK，采用FM0編碼或者M(jìn)iller編碼，并對(duì)傳輸數(shù)據(jù)采用差錯(cuò)控制編碼技術(shù)(CRC16校驗(yàn))。本文介紹的讀寫器到標(biāo)簽的前向鏈路采用ASK調(diào)制方式和PIE編碼，標(biāo)簽到讀寫器的反向鏈路采用ASK調(diào)制方式和FM0編碼。

2 基于虛擬無線電實(shí)現(xiàn)讀寫器的方法
2．1 讀寫器的結(jié)構(gòu)
    該讀寫器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由4部分組成：主控部分、FPGA邏輯控翻模塊、射頻前端模塊及天線。主控部分：主控部分選擇通用PC，標(biāo)簽識(shí)別層數(shù)據(jù)處理和基帶信號(hào)處理在PC中完成，通過PCIe接口和邏輯控制模塊連接；FPGA邏輯控制模塊：主要負(fù)責(zé)有AD／DA控制、RF切換、功放、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)控制的功能；射頻前端模塊：其中射頻收發(fā)功能采用LMS6002D芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片集成LNA／PA驅(qū)動(dòng)、IX／RX混頻器、TX／RX濾波器、頻率綜合器、接收增益控制發(fā)送功率控制等子模塊，能夠完成射頻模擬前端的大部分功能天線。

2．2 工作流程
    讀寫器工作流程分為讀寫器發(fā)送指令與接收標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)信息2部分。
    讀寫器發(fā)送指令的工作流程：
    (1)應(yīng)用層程序發(fā)出調(diào)用標(biāo)簽識(shí)別層模塊的命令，標(biāo)簽識(shí)別層模塊產(chǎn)生要發(fā)送的訪問標(biāo)簽的指令，并將指令送至基帶處理模塊；
    (2)基帶處理模塊對(duì)標(biāo)簽識(shí)別層指令進(jìn)行編碼調(diào)制，生成基帶信號(hào)，基帶信號(hào)分成I，Q兩路通過PCIe接口傳入FPGA的FIFO；
    (3)FIFO中的數(shù)據(jù)被打包成串行基帶信號(hào)送至射頻前端模塊；
    (4)串行基帶信號(hào)進(jìn)入射頻前端模塊經(jīng)過DA變換、功率放大、上變頻后被調(diào)制到超高頻頻段，然后送至帶通濾波器進(jìn)行濾波；
    (5)濾波以后，信號(hào)被送至功率放大器放大，然后送至天線發(fā)送出去。
    讀寫器接收標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)信息的工作流程：
    (1)標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)來的信號(hào)，獲得能量被上電激活，開始執(zhí)行讀寫器命令，并進(jìn)行判斷是否需要應(yīng)答，需要應(yīng)答時(shí)，將應(yīng)答信息以反向散射方式通過天線送至射頻前端模塊；
    (2)射頻前端模塊將接收到的信號(hào)送至帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后通過低噪放、下變頻、AD變換等部分，載波信號(hào)恢復(fù)為基帶信號(hào)并傳入FPGA的FIFO；
    (3)FIFO中的數(shù)據(jù)通過PCIe接口被送至PC中的基帶處理模塊；
    (4)基帶信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將結(jié)果傳遞給標(biāo)簽識(shí)別層；
    (5)標(biāo)簽識(shí)別層根據(jù)接收到的標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，解出標(biāo)簽反向散射的信息并做出判斷，決定下一次發(fā)送的指令。
2．3 主控部分
2．3．1 主控部分軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的主控部分為PC，結(jié)構(gòu)圖如圖2讀寫器的結(jié)構(gòu)圖左邊部分所示。主控部分的工作主要包括：完成基帶信號(hào)處理、標(biāo)簽識(shí)別處理和驅(qū)動(dòng)層與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通信。
    工作原理：啟動(dòng)時(shí)，通過PC配置射頻參數(shù)，射頻參數(shù)存入緩沖區(qū)寄存器中，初始化內(nèi)存；應(yīng)用程序發(fā)出對(duì)標(biāo)簽的應(yīng)用功能指令，該指令通過應(yīng)用程序接口調(diào)用標(biāo)簽識(shí)別處理模塊，標(biāo)簽識(shí)別處理模塊發(fā)出相應(yīng)的指令給基帶處理模塊，基帶處理模塊對(duì)指令進(jìn)行編碼調(diào)制形成基帶信號(hào)，通過PCIe接口將基帶信號(hào)發(fā)送給射頻板；主控部分通過PCIe接口接收射頻板傳送來的基帶信號(hào)，基帶處理模塊對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，形成標(biāo)簽反向散射的指令格式，傳至標(biāo)簽識(shí)別處理模塊，標(biāo)簽識(shí)別處理模塊對(duì)指令進(jìn)行相關(guān)CRC校驗(yàn)對(duì)做出相應(yīng)的響應(yīng)。軟件流程如圖3所示。

2．3．2 防沖突軟件設(shè)計(jì)
    為防止多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)，讀寫器發(fā)送的Query指令中令Q不等于0，Q為(0～15)，標(biāo)簽接收到Query指令后，會(huì)選擇(0～2Q-1)給Slot Counter，當(dāng)Slot Counter=0時(shí)，標(biāo)簽反向散射數(shù)據(jù)，Slot Counter不為0時(shí)標(biāo)簽不響應(yīng)，如果標(biāo)簽無響應(yīng)，則連續(xù)發(fā)送QueryReq，每發(fā)送一次QueryReq，標(biāo)簽的Slot Counter的值會(huì)減1，直到Slot Counter=0，標(biāo)簽響應(yīng)為止。其流程圖如圖4所示。

3 接收端算法研究與實(shí)現(xiàn)
    接收端算法：接收端接收的信號(hào)為(A／2)g(t)，經(jīng)過I／Q兩路解調(diào)、低通濾波、隔直流后分別為(A／2)g(t)sinθ和(A／2)g(t)cosθ，如果只采用單路接收信號(hào)，當(dāng)接收信號(hào)的相位和本振信號(hào)的相位相差θ為90°或者0°，則接收到的信號(hào)(A／2)g(t)sinθ或(A／2)g(t)cosθ可能始終為0，即有用信號(hào)沒有解調(diào)出來。為了避免射頻場(chǎng)中存在的盲點(diǎn)，系統(tǒng)接收端采用兩路正交混頻結(jié)構(gòu)，即：
    
    將I，Q兩路信號(hào)平方后求和得出(A2／4)g2(t)，無論接收信號(hào)的相位和本振信號(hào)的相位相差θ為多少，總能解調(diào)出有用信號(hào)。
    對(duì)于本方案，接收端基帶信號(hào)處理在PC中完成，PC中接收到的I，Q兩路的數(shù)據(jù)存在一個(gè)數(shù)組RECEIVE[N]中，針對(duì)接收端算法的其體實(shí)現(xiàn)步驟如圖5所示。

    (1)首先解調(diào)出I，Q兩路信號(hào)：即：
    RECEIVE_I=RECEIVE(1，1：2：N)
    RECEIVE_Q=RECEIVE(1，2：2：N)
    RECEIVE_data2=RECEIVE_I2+RECEIVE_Q2
    ／／N為接收數(shù)據(jù)所在數(shù)組的大小
    (2)求接收信號(hào)的均值，即求信號(hào)的直流分量
    sum=O
    for i=1：N／2
    sum=sum+RECEIVE_data[i]
    end
    ave_sum=(sum／(N／2))
    (3)去直流分量
    RECEIVE_data=RECEIVE_data-ave_sum
    (4)做相關(guān)，找到同步點(diǎn)
    在該系統(tǒng)中，標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)有加短前導(dǎo)Frame_Sync和長前導(dǎo)Preamble兩種形式，讀寫器發(fā)送的Query指令中的TRext位決定了標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)的前導(dǎo)形式，本方案中標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)采用加前導(dǎo)Preamble的方式。
    首先，生成本地的Preamble信號(hào)，即編碼調(diào)制后為Preamble[m]，將Preamble[m]與接收到的RECEIVE_data做相關(guān)，找到最大點(diǎn)，取出標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)。
    
    以讀寫器發(fā)送Query指令為例，在采樣率為10 MHz，標(biāo)簽反向鏈路頻率為200 kHz時(shí)，標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)反向散射信號(hào)Preamble+RN16(16位隨機(jī)碼)，通過上述過程，解調(diào)出數(shù)據(jù)如圖6所示，顯示方式為：數(shù)據(jù)以兩路A，B方式，其中A為上部分，B為下部分，如RN16[N]，則有：
    
    (5)解調(diào)標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)
    根據(jù)射頻部分的采樣率和標(biāo)簽反向散射數(shù)據(jù)的調(diào)制方式，對(duì)0和1進(jìn)行編碼調(diào)制，生成0和1的本地基帶信號(hào)，將其與接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)，并進(jìn)行判斷，解調(diào)出標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)。
    

    對(duì)圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得出此次標(biāo)簽反向散射的隨機(jī)數(shù)為：1101 0001 0100 0011。

4 結(jié)語
    本文提出的基于虛擬無線電的RFID讀寫器的實(shí)現(xiàn)方案，從系統(tǒng)級(jí)角度對(duì)基于虛擬無線電的RFID讀寫器的硬件平臺(tái)及主控部分進(jìn)行了闡述，并對(duì)接收端算法進(jìn)行了研究與實(shí)現(xiàn)。虛擬無線電技術(shù)易于實(shí)驗(yàn)、開發(fā)快捷、與其他應(yīng)用結(jié)合、改進(jìn)功能盼特點(diǎn)，使得基于虛擬無線電的超高頻RPID讀寫器具有靈活處理基帶信號(hào)、支持開發(fā)多種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐結(jié)果表明，基于虛擬無線電實(shí)現(xiàn)超高頻RFID讀寫器的方案具有可行性。